capitulo 5 y 6 del libro de fisica conceptual de PAUL G. HEWITT PAUL G. HEWITT decima edicion PDF

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Summary

decima edicion tiene un tornado de fondo con un color azul al rededor de la imagen
contiene 828 paginas Paul G. Hewitt
Física conceptual. Décima edición
PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007
ISBN: 978-970-26-0795-3
Área: Ciencias
Formato: 20  25.5 cm Páginas: 824...

Description

Paul G. Hewitt

Física Conceptual 12°Ed

Capítulo 5

PUNTO DE CONTROL

COMPRUEBA TU RESPUESTA

¿Un misil que acelera posee fuerza?

NO: una fuerza no es algo que un objeto tenga, como la masa, sino que es parte de una interacción entre un objeto y otro. Un misil que acelera posee la capacidad de ejercer una fuerza sobre otro objeto cuando acurren interacción, pero no posee fuerza como una cosa en sí. Como verás en los siguientes capítulos, un misil que acelera posee cantidad de movimiento y energía cinética.

PUNTO DE CONTROL

COMPRUEBA TU RESPUESTA

1.- En un día frío y lluvioso, te encuentras en el automóvil con una batería descargada. Debes empujar el automóvil para moverlo y echarlo andar. ¿Por qué no puedes mover el automóvil si permaneces cómodamente sentado en su interior y empujas contra el tablero?

1.- En este caso, el sistema que se debe acelerar es el automóvil. Si permaneces en el interior y empujas sobre el tablero, el par de fuerzas que produces actúa y reacciona dentro del sistema. Dichas fuerzas se cancelan en lo que respecta a cualquier movimiento del automóvil. Para acelerar el automóvil, debe haber una interacción entre el automóvil y algo externo, por ejemplo, tú en el exterior empujado contra el camino y sobre el automóvil.

2.- ¿Por qué un libro que reposa sobre una mesa nunca acelera “espontáneamente” en respuesta a los billones de fuerzas interatómicas que actúan dentro de él?

2.- Cada una de estas fuerzas interatómicas es parte de un par acción-reacción en el interior del libro. Dichas fuerzas suman cero, sin importar cuántas fuerzas existan. Eso es lo que hace que la primera ley de Newton se aplique al libro. El libro tiene aceleración cero a menos que una fuerza externa actúe sobre él.

3.- Se sabe que la Tierra tira sobre la Luna. Entonces, ¿la Luna también tira sobre la Tierra?

3.- SÍ, ambos jalones constituyen un par de fuerzas acciónreacción asociadas a la interacción gravitacional entre la Tierra y la Luna. Es posible decir que (a) la Tierra tira sobre la Luna y (b) la Luna, del mismo modo, tira sobre la Tierra, pero es más ilustrador pensar que esto es una sola interacción: tanto la Tierra como la Luna tiran simultáneamente una sobre la otra, cada una con la misma cantidad de fuerza. No puedes empujar o tirar sobre algo a menos que algo empuje o tire simultáneamente sobre ti. ¡Ésa es la ley!

4.- ¿Puedes identificar las fuerzas de acción y reacción en el caso de un objeto que cae en el vacío?

4.- Para identificar un par de fuerzas acción-reacción en cualquier situación, identifica primero el par de objetos en interacción involucrados: el cuerpo A y el cuerpo B. El cuerpo A, el objeto que cae, interactúa (gravitacionalmente) con el cuerpo B, toda la Tierra. De modo que la Tierra tira hacia abajo sobre el objeto (llámala acción), en tanto el objeto tira hacia arriba sobre la Tierra (reacción).

PUNTO DE CONTROL

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Paul G. Hewitt

Física Conceptual 12°Ed

Capítulo 5

1.- Un automóvil acelera sobre una carretera. Identifica la fuerza que mueve al automóvil.

1.- La carretera es la que empuja sobre el automóvil. ¡Es verdad! Sólo la carretera proporciona la fuerza horizontal que mueve al automóvil hacia adelante. ¿Cómo hace esto? Las llantas giratorias del automóvil empujan hacia atrás sobre la carretera (acción). El camino simultáneamente empuja hacia adelante sobre las llantas (reacción). ¡Qué tal!

2.- Un autobús a gran rapidez y un inocente bicho tiene una colisión frontal. La fuerza del impacto aplasta al pobre bicho contra el parabrisas. ¿la fuerza correspondiente que el bicho ejerce contra el parabrisas es mayor, menor o igual? ¿La desaceleración resultante del autobús es mayor, menor o igual que la del bicho?

2.- Las magnitudes de ambas fuerzas son iguales porque componen un par de fuerzas acción-reacción que constituye la interacción entre el autobús y el bicho. Sin embargo, las aceleraciones son muy diferentes, porque las masas son distintas. El bicho experimenta una desaceleración muy pequeña, tan pequeña que el muy leve frenado del autobús pasa desapercibido para sus pasajeros. Pero si el bicho fuese más masivo (tan masivo como otro autobús, por ejemplo), el frenado desafortunadamente sería muy notorio. (¿Puedes ver la maravilla de la física aquí? Aunque es muy diferente para el bicho y el autobús, la cantidad de fuerza que encuentra cada uno es la misma. ¡Sorprendente!)

PUNTO DE CONTROL

COMPRUEBA TU RESPUESTA

Con una regla, dibuja los componentes vertical y horizontal de los dos vectores mostrados. Mide los componentes y compara tus hallazgos con las respuestas que se dan a continuación.

Vector izquierdo: el componente horizontal mide 2 cm; el componente vertical, 2.6 cm. Vector derecho: el componente horizontal mide 3.8 cm; el componente vertical, 2.6 cm.

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PREGUNTAS CONCEPTUALES (COMPRENSIÓN)

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Física Conceptual 12°Ed

Capítulo 5

5.1 Fuerzas e interacciones 1.- Cuando empujas contra una pared con los dedos, éstos se doblan porque experimentan una fuerza. Identifica esta fuerza. La fuerza es la de la pared que empuja sobre tus dedos. 2.- Un boxeador puede golpear un pesado saco con gran fuerza. ¿Por qué no puede golpear un papel de seda en el aire con la misma cantidad de fuerza?

3.- ¿Cuántas fuerzas se necesitan para una interacción? Para una interacción se necesita un par de fuerzas.

5.2 Tercera ley de Newton de movimiento 4.- Enuncia la tercera ley de Newton de movimiento.

5.- Piensa que golpeas una pelota de béisbol con un bate. Si a la fuerza del bate contra la bola la llamas fuerza de acción, identifica la fuerza de reacción. Acción: bate contra pelotas. Reacción: bola contra bate. 6.- Si el sistema de la figura 5.9 sólo es la naranja, ¿existe una fuerza neta sobre el sistema cuando la manzana jala?

7.- Si se considera que el sistema es la manzana y la naranja en conjunto (figura 5.10). ¿Existe una fuerza neta sobre el sistema cuando la manzana jala (ignora la fricción con el suelo)? No. El par de fuerzas es interno al sistema manzana-naranja. 8.- Para producir una fuerza neta sobre un sistema, ¿debe haber una fuerza neta aplicada externamente?

9.- Considera al sistema de un solo balón de fútbol. Si lo pateas, ¿existe una fuerza neta que acelere el sistema? Si un amigo lo patea al mismo tiempo con una fuerza igual y opuesta, ¿existe una fuerza neta que acelere el sistema? Sí. La fuerza neta la proporciona el contacto con tu pie. Si dos fuerzas opuestas e iguales actúan sobre el balón, la fuerza neta sobre él es cero no acelerará.

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Capítulo 5

5.3 Acción y reacción sobre masas diferentes 10.- La Tierra jala hacia abajo sobre ti con una fuerza gravitacional que llamas tu peso. ¿Tú jalas hacia arriba a la Tierra con la misma cantidad de fuerza?

11.- Si las fuerzas que actúan sobre una bala de cañón y sobre el cañón que recula, desde el cual se dispara, son iguales en magnitud, ¿por qué la bala de cañón y el cañón tienen aceleraciones muy diferentes? Las diferentes aceleraciones se deben a distintas masas. 12.- Identifica la fuerza que impulsa un cohete. 13.- ¿Cómo es que un helicóptero obtiene su fuerza de sustentación? El helicóptero consigue su fuerza de sustentación al empujar el aire hacia abajo, en cuyo caso la reacción es el aire que empuja al helicóptero hacía arriba. 14.- ¿Puedes tocar físicamente a una persona sin que la persona te toque con la misma cantidad de fuerza?

5.4 Vectores y la tercera ley 15.- ¿Qué se entiende con el término descomposición de vectores? El proceso para determinar los componentes de un vector. 16.- ¿Qué ocurre con la magnitud del vector normal arriba de un bloque en reposo sobre un plano inclinado cuando aumenta el ángulo de inclinación?

17.- ¿Cuán grande es la fuerza de fricción que actúa sobre un zapato en reposo sobre un plato inclinado, comparada con la resultante de los vectores mg y N? La fuerza de fricción tiene la misma magnitud y la suma de todas las fuerzas es cero. 18.- ¿Cómo cambia la magnitud del componente vertical de velocidad para una bola lanzada en un ángulo hacia arriba a medida que la bola viaja en dicha dirección?

¿Y el componente horizontal de velocidad cuando la resistencia del aire es despreciable?

5.5 Resumen de las tres leyes de Newton 19.- Llena los espacios: la primera ley de Newton con frecuencia se llama ley de ____ inercia __; la segunda ley de Newton es la ley de __ aceleración __, y la tercera ley de Newton es la ley de __ acción __ y __ reacción __. 20.- ¿Cuál de las tres leyes de Newton se centra en las interacciones?

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Paul G. Hewitt

Física Conceptual 12°Ed

Capítulo 5

PIENSA Y REALIZA (APLICACIÓN MANUAL) 21.- Sostén tu mano como un ala plana afuera de la ventana de un automóvil en movimiento. Luego inclina ligeramente hacia arriba el borde frontal y observa el efecto de sustentación. ¿Puede ver cómo funcionan aquí las leyes de Newton? Tu mano será empujada hacia arriba, una reacción del aire que se desvía hacia abajo. 22.- Intenta empujar tus dedos unos contra otros. ¿Puedes empujar más fuerte sobre un dedo que sobre el otro?

SUSTITUYE Y LISTO (FAMILIARIZACIÓN CON ECUACIONES) 23.- Calcula la resultante del par de velocidades de 100 km/h norte y 75 km/h sur. 100 km/h – 75 km/h = 25 km/h hacia el norte. Calcula la resultante si ambas velocidades se dirigen hacia el norte. 100 km/h + 75 km/h = 175 km/h hacia el norte Resultante de dos vectores en ángulos rectos entre sí: 𝑹 = √𝒙𝟐 + 𝒚𝟐 24.- Calcula la magnitud de la resultante de un par de vectores de velocidad de 100 km/h que están en ángulos rectos entre sí.

25.- Calcula la resultante de un vector horizontal con una magnitud de 4 unidades y un vector vertical con una magnitud de 3 unidades. 𝑅 = √42 + 32 = 5 26.- ¿Cuál será la rapidez de un avión que normalmente vuela a 200 km/h, cuando encuentra un viento de lado de 80 km/h (en ángulo recto con el avión)?

PIENSA Y RESUELVE (APLICACIÓN MATEMÁTICA) 27.- Un boxeador golpea una hoja de papel a mitad del aire y la lleva desde el reposo hasta una rapidez de 25 m/s en 0.05 s (a) ¿Qué aceleración se imparte al papel? 𝑚 ∆𝑣 25 𝑠 𝑚 = 𝑎= = 500 2 ∆𝑡 0.05 𝑠 𝑠 5

Paul G. Hewitt

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Capítulo 5

(b) Si la masa del papel es 0.003 kg, ¿qué fuerza ejerce el boxeador sobre él? 𝑭 = 𝒎𝒂 = (𝟎. 𝟎𝟎𝟑 𝒌𝒈) (𝟓𝟎𝟎

𝒎 ) 𝒔𝟐

= 𝟏. 𝟓 𝑵 Que es aproximadamente 1/3 de libra.

(c) ¿Cuántas fuerzas ejerce el papel sobre el boxeador? Por la tercera ley de Newton, la misma cantidad, 1.5 N 28.- Si estás de pie junto a una pared sobre una patineta sin fricción y empujas la pared con una fuerza de 40 N, ¿cuán fuerte empuja la pared sobre ti? Si tu masa es de 80 kg, demuestra que tu aceleración es 0.5 m/s2.

29.- Fuerzas de 3 N y 4 N actúan en ángulos rectos sobre un bloque de 2 kg de masa. Demuestra que la aceleración del bloque es 2.5 m/s2. 𝒂=

𝑭 , 𝒅𝒐𝒏𝒅𝒆 𝑭 = √(𝟑. 𝟎 𝑵)𝟐 + (𝟒. 𝟎 𝑵)𝟐 = 𝟓 𝑵 𝒎

𝑫𝒆 𝒎𝒐𝒅𝒐 𝒒𝒖𝒆 𝒂 =

𝑭 𝟓𝑵 𝒎 = = 𝟐. 𝟓 𝟐 𝒔 𝒎 𝟐. 𝟎 𝒌𝒈

30.- Cuando dos discos de aire idénticos, con imanes repelentes, se mantienen juntos en una mesa de aire y luego se sueltan, terminan moviéndose en direcciones opuestas con la misma rapidez, v. Supón que la masa de uno de los discos se duplica y que el procedimiento se repite. a. De acuerdo con la tercera ley de Newton, demuestra que la rapidez final del disco con el doble de masa es la mitad que la del disco sencillo.

b. Calcula la rapidez del disco con masa doble si el disco sencillo se aleja a 0.4 m/s.

PIENSA Y CLASIFICA (ANÁLISIS) 31.- Una camioneta ejerce una fuerza sobre remolques de diferentes masas m. Comparadas con la fuerza ejercida sobre cada remolque, clasifica las magnitudes de las fuerzas que cada remolque ejerce sobre la camioneta. (¿O todas son pares de fuerzas con igual magnitud?) A=B=C

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Paul G. Hewitt

Física Conceptual 12°Ed

Capítulo 5

32.- Cada una de estas cajas es jalada por la misma fuerza F hacia la izquierda. Todas las cajas tienen la misma masa y se deslizan sobre una superficie sin fricción. Clasifica lo siguiente de mayor a menor: a. La aceleración de las cajas.

b. Las tensiones de las sogas conectadas a las cajas individuales a la derecha en B y en C.

33.- Tres discos idénticos, A, B y C, se deslizan por el hielo con las rapideces dadas. Las fuerzas del aire y de la fricción del hielo son despreciables. a. Clasifica los discos por la fuerza necesaria para mantenerlos en movimiento, de mayor a menor. A=B=C b. Clasifica los discos por la fuerza necesaria para detenerlos en el mismo intervalo, de mayor a menor. C, B, A

PIENSA Y EXPLICA (SINTESIS) 34.- En cada una de las siguientes interacciones, identifica las fuerzas de acción y reacción: (a) Un martillo golpea un clavo. (b) La gravedad de la Tierra jala hacia abajo sobre un libro. (c) Las aspas de un helicóptero empujan el aire hacia abajo. 35.- La fotografía muestra a Steve Hewitt con su hija Gretchen. ¿Gretchen toca a su padre, o su padre la toca a ella? Explica.

En concordancia con la tercera ley de Newton Steve y Gretchen se tocan mutuamente. Uno de ellos puede iniciar el contacto, pero la interacción física no puede ocurrir sin contacto entre Steve y Gretchen, de hecho ¡no puedes tocar sin ser tocado!

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Capítulo 5

36.- Cuando te frotas las manos, ¿puedes empujar más fuerte sobre una mano que sobre la otra?

37.- Sostienes una manzana sobre tu cabeza. (a) Identifica todas las fuerzas que actúan sobre la manzana y sus fuerzas de reacción. Actúan dos pares de fuerzas el jalón de la Tierra sobre la manzana (acción) y el jalón de la manzana sobre la Tierra (reacción); y la mano empuja la manzana hacia arriba (acción) y la manzana empuja la mano hacia abajo (reacción) (b) Cuando sueltas la manzana, identifica todas las fuerzas que actúan sobre ella cuando cae y las correspondientes fuerzas de reacción. Desprecia el arrastre aerodinámico. Sin arrastre aerodinámico, actúa un par de fuerzas: el jalón de la Tierra sobre la manzana y el jalón de la manzana sobre la Tierra. 38.- Identifica los pares de fuerzas acción-reacción en las siguientes situaciones: (a) Bajas de una acera. (b) Das una palmada en la espalda a tu tutor. (c) Una ola golpea una costa rocosa. 39.- Piensa en un jugador de béisbol que batea una pelota. Identifica los pares acción-reacción (a) cuando se golpea la pelota Mientras el bate está en contacto con la bola hay dos interacciones, una con el bate e, incluso entonces, con la gravedad de la Tierra. Acción: el bate golpea a la bola; reacción: la bola golpea al bate. Y, acción: la Tierra jala hacia abajo sobre la bola (peso); reacción: la bola jala hacia arriba sobre la Tierra. (b) mientras la pelota está en vuelo. Mientras la bola está en vuelo, las principales interacciones son con la gravedad de la Tierra y con el aire. Acción: la Tierra jala hacia abajo sobre la bola (peso); reacción: la bola jala hacia arriba sobre la Tierra. Y, acción: el aire empuja a la bola; reacción: la bola empuja al aire. 40.- ¿Cuál es la física involucrada en el caso de un pasajero que se siente presionado hacia atrás contra el asiento de un avión cuando éste acelera en la pista durante el despegue?

41.- Si sueltas una bola de caucho sobre el suelo, rebota de vuelta hacia arriba. ¿Qué fuerza actúa sobre la bola para proporcionar el rebote? Cuando la bola ejerce una fuerza sobre el suelo, el suelo ejerce una fuerza igual y opuesta sobre la bola, por lo tanto, rebota. La fuerza del suelo sobre la bola proporciona el rebote

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Capítulo 5

42.- En el interior de un libro que está sobre una mesa hay miles de millones de fuerzas que empujas y jalan sobre todas las moléculas. ¿Por qué dichas fuerzas nunca por casualidad suman una fuerza neta en una dirección, lo que haría que el libro acelerara “espontáneamente” a través de la mesa?

43.- Si ejerces una fuerza horizontalmente de 200 N para deslizar con velocidad constante una caja por el suelo de una fábrica, ¿cuánta fricción ejerce el suelo sobre la caja? La fricción sobre la caja es de 200 N, los cuales cancelan el empuje de 200 N sobre la caja para producir la fuerza neta cero que explica la velocidad constante (aceleración cero). ¿La fuerza de fricción es igual y con dirección opuesta a tu empuje de 200 N? No, aunque la fuerza de fricción sea igual y con dirección opuesta a la fuerza aplicada, las dos no constituyen un par de fuerzas acción-reacción. Eso de se debe a que ambas fuerzas actúan sobre el mismo objeto: la caja. La reacción a tu empuje sobre la caja es el empuje de la caja de vuelta sobre ti. Si la fuerza de fricción no es la fuerza de reacción a tu empuje, ¿Qué es? La reacción a la fuerza de fricción del suelo sobre la caja es la fuerza de fricción opuesta de la caja sobre el suelo. 44.- Cuando el deportista sostiene la barra de pesas sobre su cabeza, la fuerza de reacción es el peso de la barra de pesas sobre su mano. ¿Cómo varía esta fuerza en el caso en el que la barra de pesas se acelera hacia arriba? ¿Hacia abajo?

45.- Considera las dos fuerzas que actúan sobre una persona que está de pie quieta, a saber, el jalón descendente de la gravedad y el soporte ascendente del suelo. ¿Estas fuerzas son iguales y opuestas? ¿Forman un par acciónreacción? ¿Por qué si o por qué no?

Las fuerzas deber ser iguales y opuestas porque son las únicas fuerzas que actúan sobre la persona, quien obviamente no acelera. Sin embargo, observa que el par de fuerzas no constituyen un par acción-reacción porque actúan sobre el mismo cuerpo. La fuerza descendente, el peso del hombre. La Tierra jala hacia abajo sobre el hombre, tiene la reacción el hombre jala hacia arriba a la Tierra, no el suelo empuja sobre él. Y la fuerza ascendente del suelo sobre el hombre tiene la reacción del hombre contra el suelo, no la interacción entre el hombre y la Tierra. (Si esto te parece confuso, puedes encontrar consuelo en el hecho de que el mismo Newton tenía problemas para aplicar su tercera ley a ciertas situaciones. Aplica la regla, A sobre B reacciona a B sobre A, como en la figura 5.7) 46.- ¿Por qué puedes ejercer mayor fuerza sobre los pedales de una bicicleta si te enderezas en el manubrio?

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Capítulo 5

47.- ¿Por qué un escalador tira hacia abajo sobre la soga para moverse hacia arriba? Cuando el escalador jala la soga hacia abajo, la soga jala simultáneamente al escalador hacia arriba, en la dirección que desea el escalador. 48.- Empujas un pesado automóvil con las manos. El automóvil, a su vez, te empuja de vuelta con una fuerza igual y opuesta. ¿Esto no significa que las fuerzas se cancelan mutuamente, lo que hace imposible la aceleración? ¿Por qué sí o por qué no?

49.- El hombre fuerte empujará para separar los dos vagones de carga igual masa, inicialmente estacionarios, antes de caer recto hacia el suelo. ¿Es posible que él dé a alguno de los vagones una mayor rapidez que al otro? ¿Por qué sí o por qué no? No. El hombre fuerte puede ejercer sólo fuerzas iguales sobre ambos vagones, tal como tu empuje contra una pared iguala al empuje de la pared sobre ti. Lo mismo sucede con dos paredes o dos vagones. Dado que sus masas son i...